剛玉坩堝鍋底耐沖擊結構的設計及應用

劉 嵩,姜 磊,徐 興,潘春平,羅 燦

(1.浙江碩實機械有限公司,浙江 紹興 312073;2.紹興匯友機電科技有限公司,浙江 紹興 312099;3.浙江工業職業技術學院,浙江 紹興 312099;4.紹興市興雪自動化科技有限公司,浙江 紹興 312073;5.紹興市上虞職業中等專業學校,浙江 紹興 312399)

中頻電爐作為有色金屬熔化電爐,具有高效、可靠和作業靈活優勢,其坩堝常采用石墨坩堝[1]。石墨是導電材料,在交變感應磁場中能產生熱量,可加速金屬熔化,也因此易使石墨坩堝熱變產生裂紋或燒損等。在熔化熔點較低的有色金屬,且非連續生產時,低熔點熔體流動性良好,易鉆入裂縫和孔洞中,在熱脹冷縮作用下,導致裂紋和孔洞逐步擴展,因此石墨坩堝服役壽命一般較短;物料裝入坩堝時,易對其底部受沖擊受損失效,因此石墨坩堝底部采用鵝蛋形結構來解決[2],但熔體容量減少,不利于節能和生產效率。石墨坩堝自發熱溫度較高,為保溫,往往會增加石墨坩堝與加熱線圈的隔熱距離,進一步減小了石墨坩堝容量。有色金屬加工經濟效益為業界所關注[3],因此延長坩堝服役壽命[4]是提高經濟效益有效途徑之一,實踐表明剛玉坩堝替代石墨坩堝用于低熔點有色金屬熔化[5-8],其優勢在于服役壽命和容量,但服役壽命波動大,鍋底部漏爐現象較多。本文分析常規剛玉坩堝漏爐失效原因,設計了剛玉坩堝底部耐沖擊結構,減輕鍋底受損漏爐風險,同時分析了剛玉坩堝制備材料對耐沖擊性能的影響,提出了改進措施,取得了良好的效果。

1 常規剛玉坩堝失效分析

剛玉坩堝一般為圓柱形狀而使單爐容量增加,但堝底受物料沖擊,易形成漏斗形凹坑,造成堝底缺損減薄而漏爐。增加堝底厚度,可減少外部沖擊帶來開裂漏爐的風險,但堝底部與堝壁存在明顯的厚度差,在冷熱交變情況下,鍋壁在通冷卻水的中頻加熱線圈冷卻下,降溫速度明顯快于鍋底,溫差易導致厚度突變處易產生裂紋,同時剛玉坩堝在制備時存在微裂紋或深入爐體內部的細小孔洞[9],流動性較佳的低熔點(600 ℃)有色金屬熔體易鉆入裂紋或孔洞,固液變化逐步將其擴展,縮短坩堝的服役壽命。筆者統計某型號設計容量為0.5 t的中頻電爐剛玉坩堝漏爐失效原因,基本上發生在鍋底部。

剛玉坩堝的材料由高鋁剛玉骨料、黏結用耐火材料組成,分析個別耐沖擊性能較差的剛玉坩堝發現,其骨料的粒度偏差小(3 mm左右)且數量較少,顆粒較大的骨料間摻雜著粒度小于1 mm的骨料,分布疏散,見圖1(a),骨料具有較強的承受物料沖擊能力,而其間黏結作用的耐火材料則較脆,承受物料沖擊能力較差,疏散且較小顆粒的骨料降低了剛玉坩堝的耐物料沖擊能力,導致服役壽命波動大,圖1(b)為正常的骨料粒度與分布情況,骨料顆粒尺寸為3～6 mm,且分布較為均勻緊密,其間夾雜小顆粒骨料作為填充。

圖1 骨料形狀

2 剛玉坩堝的改進

2.1 坩堝鍋底耐沖擊結構的設計

為解決坩堝鍋底受物料沖擊造成的漏爐,增加鍋底厚度無益于坩堝服役壽命,因此筆者改進了某型號0.5 t中頻電爐配用的剛玉坩堝,在鍋底設計了錐形耐沖擊臺,見圖2(a),及在錐形耐沖擊臺的四周布置耐沖擊柱,見圖2(b)。坩堝全高為710 mm、鍋底厚度為60 mm,外徑為536 mm、鍋壁厚為50 mm。數據統計表明,鍋底部受損產生漏斗形凹陷,越往中心凹陷越深,觀察到受損的鍋底最深凹陷達30 mm左右,受損嚴重的漏斗形凹陷范圍直徑約為200 mm,因此錐形耐沖擊臺的底徑為210 mm,錐形耐沖擊臺與鍋底厚度差突變易產生裂紋,易向鍋底深部發展,因此錐形耐沖擊臺上徑為130 mm,高度取40 mm為宜。

圖2 耐沖擊鍋底結構

在鍋底設置耐沖擊臺后,隨著坩堝服役壽命的延長,錐形耐沖擊臺與鍋壁之間的沖擊受損造成的漏爐現象有所增加,因此在其間設置環形布置12個耐沖擊柱。觀察表明,受損的鍋底,在錐形耐沖擊臺與鍋壁之間的沖擊凹陷不到中心最深部位的一半,因此耐沖擊柱高度取20 mm,考慮物料沖擊和擠占物料的空間因素,耐沖擊柱的直徑65 mm、柱間距不宜超過25 mm。單個耐沖擊柱與鍋底面積相比較小,不易產生裂紋,即便有產生裂紋的傾向,也不會向鍋底擴展。

上述設計可滿足坩堝底部的耐沖擊要求,盡量減少擠占合金熔體的容量,減少鍋壁與鍋底厚度差。

2.2 控制剛玉坩堝的質量

在訂購剛玉坩堝時,與供應商協商,要求其配制的材料中,控制骨料的粒度以3～5 mm為主,及適當的分布密度,部分供應商已有相關技術,可以根據需方的個性化要求,在鍋底部錐形耐沖擊部位增加骨料粒度尺寸和密度,以穩定坩堝的耐沖擊能力。

3 不同坩堝實際應用數據對比

本文所選設計容量為0.5 t的中頻電爐,所熔化熔點389～460 ℃的壓鑄用鋅合金。原配用標準石墨坩堝為450號,其尺寸形狀見圖3,文獻[2]給出其滿型號的容量為0.054 2 m3。常規剛玉坩堝的鍋全高為710 mm、鍋底厚度為75 mm,外徑為536 mm、鍋壁厚為50 mm。改進后坩堝的單爐合金總量為450 kg,三種不同坩堝的使用數據對比見表1。

圖3 石墨坩堝形狀

表1 不同坩堝使用數據對比表

由表1可知,改進后剛玉坩堝滿型號容量是石墨坩堝的1.77倍,說明剛玉坩堝替代石墨坩堝,其產能優勢較大;服役爐次是石墨坩堝的2.79倍、常規剛玉坩堝的1.51倍,說明在延長服役壽命方面效果較佳;三種坩堝的噸合金能耗基本相同,分析認為：雖石墨坩堝因自身發熱縮短了合金熔化時間,因此單爐散熱量較少,但單爐產能明顯較低,頻繁啟停爐帶來的時間損失,及鍋壁與加熱線圈距離較近,及石墨導熱性較佳,增加了散熱量,而剛玉坩堝單爐產量大、導熱性差,在連續生產減少啟停爐方面,具有節能的優勢,另減少了更換坩堝帶來的烘爐燒結能耗損失,因此彌補了延長熔化合金時間帶來的能量損失。

4 結 論

(1)改進后的剛玉坩堝,滿堝型容量是石墨坩堝的1.77倍;

(2)改進后的剛玉坩堝,服役爐次是石墨坩堝的2.79倍、常規剛玉坩堝的1.51倍;

(3)三種坩堝的能耗基本相同。